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无刷交流同步发电机的构成原理

来源:www.cnsspc.com 作者:韦克威科技 时间:2022-05-09 10:08:52 点击:37次

同步发电机的转子上有励磁绕组,为了将励磁电流引到电机转子,必须装电刷和滑环,电刷置于电机壳体上的电刷架中,不旋转,两滑环装于转子轴上,滑环与转子一起旋转,励磁绕组两端接在两滑环上。电刷紧压在滑环的表面,以减小两者间的接触压降。

有刷电机可靠性低,且要定期维修,使用不方便。20世纪50年代,在半导体整流管发展的基础上诞生了无刷交流发电机。最早的无刷交流发电机由三部分组成:交流励磁机、旋转整流器和主发电机,其电路原理如图所示,图中1为交流励磁机,2为旋转整流器,3为主发电机,图中上面为电机转子部分,下面为电机定子部分。交流励磁机的结构和主发电机相反,励磁绕组Wef在定子上,三相电枢绕组在转子上,其输出端U、V、W与旋转整流器2相接,整流器的输出接主发电机励磁绕组Wf。故励磁机电枢、旋转整流器和主发电机励磁绕组都在电机转子上,实现了主发励磁的无刷化。旋转整流器有两种电路:桥式整流电路(B707飞机的发电机用这种电路)和三相半波整流电路(U-2飞机的交流发电机用这种电路)。半波整流电路只要三只二极管,连接电路简单。

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励磁机的输出电流和输出电压应满足主发电机的励磁要求,主发电机不仅要在空载与额定负载范围内保持输出电压为额定值,还要求飞机交流发电机能在5 min内过载50%和5s内过载100%时,发电机输出电压仍应为额定值以及在5s内有300%额定值的稳态短路电流输出。因此飞机交流发电机的励磁电流If应从其最小值(对应于发电机空载)到最大值(对应于100%过载和300%的短路电流)范围内变化。现代交流发电机工作环境温度在- 60~+70C范围内,若用油冷时,冷却油的温度在120~140°C范围内变化,发电机励磁绕组的电阻在冷态和热态时变化近一倍,即Rfmax ≈2Rfmin,式中Rf为主发电机励磁绕组的电阻。主发电机励磁绕组外加电压Uf应在Rfmin●Ifmin~Rfmax●IFmax(约2RFmim●Ifmax)范围内变化。交流励磁机的输出电压应满足上述要求。为了减小励磁机励磁电流Ief的变化范围,励磁机在上述输出电压范围内不宜在饱和区工作。

B737飞机的6000 r/min、40kV●A交流发电机为4对极,励磁机为3对极,这是20世纪50年代的设计方案,电机转速较低,励磁机极对数比主发电机少。现代飞机无刷交流发电机多用多极结构的励磁机,以减轻励磁机的重量,励磁机的极对数与主发电机极对数之比为分数,以减小主发电机突然短路时对旋转整流器的瞬态电流冲击。

对励磁机来讲,主发电机的励磁绕组为它的直流感性负载,由于电感较大,发电机励磁电流的脉动很小,导致励磁机的相电流为非正弦交流电流。对于桥式整流电路,励磁机电流中除有基波分量外,还有高次谐波分量。对于半波整流电路,励磁机电枢电流既有基波,又有高次谐波分量,还有直流分量。

从动态来看,励磁机和旋转整流器的接入不宜减慢发电机的动态响应速度。发电机突加负载,输出电压突然降低,电压调节器应立即加大励磁机的励磁电流Ief,增大发电机励磁If,让发电机电压恢复到额定值,此过程不应因加入励磁系统而减慢。突卸发电机负载时也一样。

旋转整流器是无刷交流发电机的关键部件,其二极管不仅受到电机振动加速度影响,还受到高速旋转时的离心加速度影响,机械应力大。电机工作时产生损耗和发热,二极管周围环境温度升高。二极管本身通电后有损耗和发热,二极管的热应力也相当大,宜采用低导通压降和耐高温的二极管。通常硅旋转二极管的允许结温为180~200 °C。碳化硅二极管的诞生为旋转整流器的发展开辟了新路。

恒频交流发电机的二极管有的装于励磁机电枢铁心内的铝合金支架上,有的装于电机的空心轴内,以减小离心力。

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